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闪锌矿InAs及其三元混晶InAs1-xPx材料的第一性原理研究

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摘要

第一章 绪论

§1.1 材料的基本结构

§1.1.1 InAs的基本结构

§1.1.2 研究意义

§1.2 InAs半导体的的基本性质

§1.3 论文内容安排

第二章 理论基础和计算方法

§2.1 密度泛函理论

§2.1.1 绝热近似与哈特利-福克近似

§2.1.2 Hohenberg-kohn定理

§2.1.3 Kohn-Sham方程

§2.1.4 常用的交换关联势

§2.1.5 赝势方法

§2.3 Materials Studio软件

§2.3.1 软件介绍

2.3.2 CASTEP的任务

第三章 闪锌矿InAs和InAs1-xPx的晶格常数和电子结构

§3.1 理论模型与计算方法

§3.2 计算结果与讨论

§3.2.1 闪锌矿InAs1-xPx的晶格常数和带隙值

§3.2.2 闪锌矿InAs的态密度和能带结构

§3.2.3 闪锌矿InAs1-xPx电子能带结构

§3.2.4 闪锌矿InAs1-xPx总态密度以及分波态密度

第四章 闪锌矿InAs和InAs1-xPx的光学性质

§4.1 引言

§4.2 理论方法

§4.3 计算结果与讨论

§4.3.1 InAs的光学性质

§4.4 总结

第五章 总结

参考文献

致谢

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摘要

随着半导体技术的飞速发展,以InAs和InP为代表的Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物在可调器件和光电设备等方面有广泛应用,因而它们受到了世界各地研究人员的重大关注。InAs属于直接带隙且带隙值较小的半导体之一,而且是Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物中极其重要且用途极为广泛的半导体材料之一,因此它就会具有一些较突出的物理特性,例如载流子浓度较高、消耗功率较低、迁移率比较高、耐高温且抗辐射等等一系列的特点。近几年来,为了更好地改善InAs材料的性能,使其能在更多的领域被应用,合理的改变InAs的组份是目前最常用的方法,InAs不仅是重要的光电子材料,也是纳米物理和化学的重要材料之一,有巨大的应用价值和科学意义。
  本文的研究内容主要是闪锌矿半导体材料InAs和三元混晶InAs1-xPx的电子结构和光学性质。具体内容如下:首先,在密度泛函理论的基础上,采用第一性原理研究方法,在计算过程中所采用的近似方法为广义梯度近似(GGA)下的WC梯度修正函数,主要给出了InAs在结构优化后的晶格常数,然后在晶格优化的基础上计算了带隙值、带隙修正、能带结构态密度。其次,计算得到了三元混晶InAs1-xPx电子结构。最后,在第一性原理研究方法的基础上,计算出InAs及其三元混晶InAs1-xPx的光学性质。
  本文的主要研究成果:第一、闪锌矿半导体InAs在结构优化后所得到的晶格常数是6.13(A),与实验值6.05(A)相吻合。当P的组分依次分为0、0.125、0.25……、0.875、1.0时,其相应的晶格常数在逐渐减小。带隙值从Eg=0eV逐渐增大,这些数据其他理论结果均相一致。二元晶体、三元混晶的带隙值的计算值较实验值略小,故我们把带隙值利用公式法进行了修正,之后所得到的带隙值与实验值相互吻合;第三、随着P元素组分的增加,其相应的光学性质(介电函数、能量损失等)特性曲线发生红移现象。

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